Fúziós energia belátható időn belül

Az emberiség energiaigénye rohamosan nő, a 21. század közepére két-három­szorosa lehet a mostaninak. De milyen forrásból teremtsük elő ezt a mennyiséget? Sokan az energiaellátás szent gráljaként tekintenek a fúziós energiatermelésre, ami környezetbarát módon állít elő hatalmas mennyiségű elektromos áramot. A kérdés az, hogy mikor? Megannyi technológiai problémát kell megoldani, mire hálózatra termelhet az első fúziós erőmű.


Energiaellátásunk a fosszilis tüzelő­anyagokra (szén, olaj, földgáz) épül, melyek jelenleg az energia­szükséglet 80 százalékát fedezik. A készletek azonban lassan elfogynak. Szerencsére más források is rendelkezésre állnak. A mag­hasadáson alapuló atom­energia – tetemes üzemanyag­készlettel – nagy mennyiségű energia elő­­állítására alkalmas, ugyan­akkor évezredekig veszélyes radioaktív anyagokat termel. A megújuló energia­források egy része, például a nap- és a szélenergia, környezetbarát, ám erősen függ az időjárás szeszélyétől. Olyan forrás kell tehát, amely hosszú távon, folyamatosan és nagy mennyiség­­ben, de környezet­barát módon és olcsón állít elő energiát. Az egyetlen, ami mai tudásunk alapján szóba jöhet, a Napunkat is „működtető” folyamat, az atomok magjainak egyesülése­kor felszabaduló magfúziós energia.

Bőséges alapanyag

A magfúzió üzemanyaga a Földön a hidrogén két izotópja, a deutérium és a trícium lehetne. A deutérium évmilliókig elegendő mennyiségben megtalálható a vizekben, a trícium pedig előállítható a Földön szintén hatalmas mennyiségben fellelhető fémből, a lítiumból. Az üzemanyag tehát gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre áll. A fúziós reaktorban nem keletkeznek több ezer évig sugárzó kiégett radioaktív végtermékek, csupán az erőmű egyes szerkezeti elemei lesznek néhány évtizedre gyengén radioaktívak. Nem termel szennyező anyagokat és üvegházhatású gázokat, és még baleset bekövetkeztekor is ártalmatlan a környezetére. Létezik, aminek csak előnye van? Igen. A fúziós energiatermelés mai ismereteink szerint megvalósítható. Már csak meg kell építeni egyet, de éppen az a bökkenő, hogy egy ilyen erőmű létrehozása az emberiség előtt álló egyik legnagyobb technológiai kihívás. A világ több ezer tudósa hatvan esztendeje dolgozik ezen az ügyön. A fő akadályokat elsősorban nem elvi, sokkal inkább a technológiai nehézségek jelentik.

A fúziós reaktorban nem keletkeznek több ezer évig sugárzó kiégett radioaktív végtermékek, csupán az erőmű egyes szerkezeti elemei lesznek néhány évtizedre gyengén radioaktívak. Nem termel szennyező anyagokat és üvegházhatású gázokat, és még baleset bekövetkeztekor is ártalmatlan a környezetére. (A látványterven az ITER központi berendezése, a tokamak. Forrás: ITER)

A Napban lejátszódó folyamat során hidrogénatomok alakulnak héliummá, az ütközés során létrejövő elem tömege kisebb, mint a két ütköző elem együttes tömege, ami azt jelenti, hogy az anyag egy része energiaként szabadul fel. Csillagunkban ez a folyamat nagyon lassan zajlik, ezért vagyunk még itt, viszont ezért a Földön pontosan a Nap folyamatai nem valósíthatók meg. Itt a fúziós folyamat beindításához a Nap központjánál tízszer magasabb hőmérséklet, 150 millió Celsius-fokos kell. Ezt az elképesztő hőfokot nagyon nehéz mesterséges, zárt környezetben megteremteni és fenntartani. Ilyen hőmérsékletet nem igazán tud elviselni semmilyen zárt, ember alkotta rendszer hosszú távon. A kamra túlhevülne, belső fala sérülne, ami a folyamat fenntartásához szükséges hőmérséklet elvesztésével járna. Ezen a ponton a természet segít. Ilyen magas hőmérsékleten ugyanis az anyag – esetünkben a hidrogén két izotópja – plazma halmazállapotú, ami azt jelenti, hogy az atomok elektronokra és atommagokra, azaz töltött részecskékre esnek szét, amelyek kölcsönhatásba lépnek a tároló elektromágneses terével, így a tartály falával nincsenek közvetlen kapcsolatban. (A plazma a szilárd, a folyékony és a gáz mellett a negyedik halmazállapot.) A mágneses összetartáson alapuló fúziónál a plazmát erős mágneses térrel tartják távol a faltól. A plazmát alkotó töltött részecskék: pozitív töltésű ionok és negatív töltésű elektronok követik a mágneses erővonalakat, a mágneses ketrecben jól összetarthatók. A plazma egy gyűrű – vagy más néven tórusz – alakú tartályban van, melyben zárt erővonalak futnak.

A fúziós folyamat beindításához 150 millió Celsius-fokos hőmérséklet kell. Ilyen magas hőmérsékleten az anyag plazma halmazállapotú, mely egy gyűrű – vagy más néven tórusz – alakú tartályban van.

Égő plazma

A deutérium-trícium (D-T) fúzió során keletkező egyik részecske a hélium atommagja. Mivel elektromos töltése van, a mágneses mező csapdájába esik, és átadja energiáját a deutérium-trícium üzemanyagnak. Ezzel önmagát fűti a plazma. Ha a berendezés elég nagy, a fúzióhoz szükséges hőmérséklet csak ezzel a „saját fűtéssel” is fenntartható. Ilyenkor égő plazmáról beszélünk. A hélium mellett minden reakcióban keletkezik egy neutron, mely az összes fúziós energia 80 százalékával rendelkezik. Mivel nincs elektromos töltése, a mágneses mező nem hat rá, így egyenesen kirepül a plazmából és beleütközik a tórusz falát borító köpenybe. A tervek szerint a köpenyben hűtőközeg lesz, a neutron ennek adja át az energiáját. A felmelegített folyadék hőcserélőre vezethető, ahol gőz keletkezik. Ezzel a gőzzel turbinákat lehet hajtani, így termelik majd a fúziós erőművek az elektromos áramot. A hőenergiát közvetlenül hidrogén előállítására is fel lehet esetleg használni.

A deutérium-trícium fúzió során keletkező egyik részecske a hélium atommagja. A hélium mellett minden reakcióban keletkezik egy neutron, mely az összes fúziós energia 80 százalékával rendelkezik. Mivel nincs elektromos töltése, a mágneses mező nem hat rá, így egyenesen kirepül a plazmából, és beleütközik a tórusz falát borító köpenybe. A neutron ennek adja át az energiáját.

Az inerciális fúzió más módszerrel dolgozik. Néhány millimé­ter átmérőjű deutérium-trícium üzem­anyaggal töltött kapszulákat erős lézerekkel pillanat­­szerűen besugároznak. A kapszula külső borítása elpárolog, ez hatalmas erővel nyomja össze annak belsejét. A fellépő nyomás létrehozza a fúzióhoz szükséges sűrűséget és hőmérsékletet. Az inerciális fúzió legfőbb nehézsége, hogy olyan nagy energiájú lézerek kellenek hozzá, melyek egyszerre, minden oldalról egyenletesen és megfelelő gyakorisággal működnek: energia­termeléshez másod­percenként 20-30 kapszulát kell felhevíteni. Ilyet fejlesztenek a kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban.

Idén januárban az ottani amerikai tudósok arról számoltak be, hogy kísérleteik során magfúzióval pótolni tudták a plazmaállapotú anyag sugárzási és hővezetési veszteségét. A kutatók 192 lézersugarat irányítottak a körülbelül két milliméter átmérőjű kapszulára, amely a hidrogén két izotópjából, deutériumból és tríciumból álló üzemanyaggal volt megtöltve. A lézerek az anyagot olyan forró plazmaállapotba vitték, amikor a deutérium és a trícium héliummá egyesül, egy neutron létrejötte és energia felszabadulása mellett. Az égő fúziós plazma azt az állapotot jelzi, amikor a fúzióval létrejött héliumatommagok keletkezésekor felszabaduló energia már gyorsabban hevíti az üzemanyagot, mint ahogy a veszteségi mechanizmusok hűtenék.

Miért fontos ez az eredmény? Azért, mert bár évtizedek óta képesek vagyunk fúziós reakciókat előidézni, ám ott még nem tartunk, hogy a fúziónak köszönhetően több energia keletkezzen, mint amennyit a reakció beindulásához befektettünk. Az amerikai kísérlet során most először az üzemanyagban fel­lépő fúziós reakciók biztosították a fűtés nagy részét – így a fúzió kezdett dominálni. Ez egy alapvetően új helyzet.

Aktív magyar részvétel

A mágneses fúziós kutatásokban az utóbbi ötven évben egyre fejlettebb kísérleti berendezések születtek. Legutóbb az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat (ELKH) Energiatudományi Kutatóközpont (EK) részvételével zajló EUROfusion konzorcium kutatóinak és mérnökeinek fenntartható fúziós körülményekkel öt másodperc alatt 59 megajoule energiát sikerült felszabadítaniuk a világ egyik vezető kísérleti fúziós berendezésében, az oxfordi Joint European Torusban (JET) végzett kísérleteik során. A februárban bejelentett rekord kiemelkedő, látványos példája a biztonságos, fenntartható és alacsony szén-dioxid-kibocsátással járó fúziós energiatermelésben rejlő lehetőségeknek. A JET a világ legnagyobb tokamak berendezése. Az eredmény és a hozzá kapcsolódó kísérleti adatok és technológiák alapvetőek a Dél-Franciaországban épülő ITER szempontjából is.

A fúziós energia kiaknázásához vezető út következő lépése az ITER nevű kísérleti fúziós berendezés. A projektben részt vevő partnerek: az EU (Svájccal), Kína, Japán, India, Oroszország, Dél-Korea és az Egyesült Államok. A világ legnagyobb ilyen jellegű projektje 22 milliárd dollárba kerülő vállalkozás. A tudósok szerint – bár az eredeti tervekhez képest jelentős késéssel – a projekt jó úton halad, hogy 2025 végére létrehozzák a túlhevített plazmát. Az ITER a fúziós plazma mellett olyan körülményeket teremt, melyek nagyon hasonlóak a majdani energiatermelő reaktorokéhoz. Várhatóan 500 megawatt fúziós teljesítményt állít majd elő, mely a betáplált teljesítmény legalább tízszerese. A berendezés további fontos feladata a tríciumtermelő technológia demonstrálása, ami a mai kis teljesítményű berendezéseken nem lehetséges.

Tavaly szeptemberben jelentették be, hogy megérkezett az ITER gigantikus mágnesének első része a franciaországi Cadarache központba. A kaliforniai General Atomics által megalkotott 66 tonnás mágnesrész a tengeren át érkezett az Egyesült Államokból, majd a marseille-i kikötőből közúton szállították a helyszínre. A mágnes további öt része legkésőbb 2024-re egyesül. Amikor összeállítják, a Central Solenoid közel ezer tonnát nyom és 18 méter magas lesz. A világ legnagyobb erejű mágnesének belsejében 13 tesla mágneses tér lesz, amely a Föld mágneses mezejének 300 ezerszerese. Ez gerjeszti a plazmában folyó 15 megaamper áramot, körülötte helyezkednek el azok a szupra­vezető mágnesek, amelyek a plazmát össze­tartó mágneses teret állítják elő, és amelyekből az első példányok már szintén az ITER telephelyén vannak. Az ITER-ben az első plazmát (ionizált hidrogéngázt) 2025 decemberére hozzák létre, a teljes körű műkö­dést pedig 2035-re várják. A szükséges további berendezések felépítési idejét és a kísérleteket figyelembe véve ma úgy tűnik, hogy a 2050-es években indulhat be az első olyan fúziós erőmű, amely nagy mennyiségű energiát ad a hálózatba.

A világ legnagyobb tokamak berendezése a JET, melyben fenntartható fúziós körülményekkel öt másodperc alatt 59 megajoule energiát sikerült felszabadítani. Az eredmények meghatározóak a Dél-Franciaországban épülő ITER szempontjából is, melyben a tervek szerint 2025 végére létrehozzák a túlhevített plazmát. (Forrás: ITER)

Az ITER jelenleg az egyik legnagyobb nem­zetközi mágneses-fúziós kutatás-fejlesztési projekt a világon. A nemzet­közi programban 35 ország, köztük Magyar­ország is részt vesz. Hazánkból az ELKH-hoz tartozó Energia­tudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának és Fúziós Technológia Laboratóriumának a szakemberei dolgoznak a projektben. A magyar mérnökök tervezték meg az ITER teljes belső részének bekábelezé­sét oly módon, hogy azok húsz évig karbantartás nélkül is működhessenek, emellett egyes komponenseket is terveztek és teszteltek Budapesten, a többi között ipari cégek bevonásával. Az EK szakemberei jelenleg is dolgoznak az ITER biztonság­védelmi technológiájának fejlesztésén, melyben szükség esetén mínusz 270 Celsius-fok hőmérsékleten, fagyasztott hidrogén­jéggel tervezik lehűteni a plazmát.

Magánfúzió
Az elmúlt néhány év izgalmas fejleménye, hogy rengeteg magántőke áramlott a fúziós kutatásokba. Ezek közül az egyik legkiemelkedőbb az amerikai Massachusetts Institute of Technology (MIT) korábbi kutatóinak vállalkozása, amely egymagában 1,8 milliárd dollárt gyűjtött össze. A massachusettsi székhelyű vállalat nagynevű befektetői közé tartozik Bill Gates és Soros György. A világ egyik legjobb egyeteméről, az MIT-ról 2018-ban levált Commonwealth Fusion néhány versenytársa, köztük a Helion Energy Inc., szintén hatalmas finanszírozáshoz jutott a közelmúltban. A befektetők még úgy is rengeteg pénzt fektetnek a technológiába, hogy a több évtizedes kutatás ellenére a mai napig senki sem tudott több energiát előállítani, mint amennyi a kísérleti fúzió létrehozásához szükséges. A magáncégek azért versengenek, hogy az elsők között legyenek, akik olyan működő fúziós erőművet hoznak létre, amely kereskedelmi hálózatra is előállít elektromos áramot. „Minden sci-fi, amíg valaki meg nem csinálja, aztán hirtelen a lehetetlen nélkülözhetetlenné válik” – idézte a világ egyik legbefolyásosabb gazdasági lapja, a The Wall Street Journal Bob Mumgaardot, a Commonwealth Fusion vezérigazgatóját.

A Fusion Industry Association és az Egyesült Királyság Atomenergia Hatósága adatai szerint a fúziós startupokba befolyó pénz jóval túlszárnyalja a korábban bejelentett 1,9 milliárd dollárt. A Helion Energy például 500 millió dollárt gyűjtött össze, és to­vábbi 1,7 milliárd dollárt lekötött. (Tavaly nyáron a Helion volt az első magáncég, amely 100 millió Celsius-fokra hevítette fel a fúziós plazmát.) A kanadai General Fusion 130 millió dollárt szedett össze. A vállalkozások különböző fúziós reaktoro­kat terveznek, de legtöbbjük a plazma­technológián alapuló módszerre támaszkodik. Tavaly szeptemberben a Commonwealth Fusion sikeresen tesztelte a Föld legerősebb ilyen típusú fúziós mágnesét, amely megtartja a plazmát. Bob Mumgaard sze­­rint a sikeres mágnesteszt és a finanszírozási kör belátható közelségbe hozza a fejlődés következő nagy lépését: a befektetettnél több energiát termelő fúziós reaktor megépítését, amelyet 2025-ig akarnak megvalósítani. A technológia támogatói nem csupán klímavédelmi céllal áldozzák pénzüket fúziós kutatásokra. Azt remélik, hogy befektetésük busásan megtérül. Legfeljebb a pénzüket veszíthetik el, de ha beigazolódnak a remények, annak százszorosát kereshetik meg. Sokan azonban szkeptikusan tekintenek a fúzióra, mint rövid távon elérhető villamosenergia-forrásra. Daniel Jassby, a Princeton Egyetem nyugalmazott kutatófizikusa „fúziós őrületnek” nevezi a közelmúlt magánbefektetési trendjét, hiszen fúzióból még senki sem termelt áramot.

Az EK laboratóriumai a világ más fúziós kutatási projektjeiben, így egyebek között Németországban, Csehországban, Japánban, Kínában és Dél-Koreában is együtt­működéseket alakítottak ki. A JET plazma szélén a sűrűséget például egy magyar–angol kutató­csoport lítiumatomok belövésével méri. Ebben a mérési módszerben az EK Fúziós Plazmafizikai Laboratóriumának kutatói el­ismerten a legjobb szakértők a világon.

Az EK kutatói – még korábban, mint a Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK) munkatársai – video­diagnosztikai rendszert építettek magfúziós kísérleti berendezésekhez. 2015 végén indult el a világ legnagyobb sztellarátor típusú fúziós kísérlete, a német fúziós kísérleti berendezés, a Wendelstein 7-X. Az eszköz egyik célja az egyre hosszabb plazma­kisülések megvalósítása volt. Ehhez a magyar kutató- és mérnök csapat tíz kamerából álló intelligens megfigyelő­rendszert fejlesztett. Pár hónappal később Angela Merkel akkori német kancellár is a magyar kamerákon keresztül látta az első hidrogén­plazma-kisülést. Ezt követte 2017-ben egy nátrium atom­nyaláb szonda mérő­rendszer felszerelése a plazma­sűrűség és ingadozásai mérésére. 2018 novemberében újabb sikeres kísérleti időszakot tudhatott maga mögött a német fúziós kísérleti berendezés: a minden eddiginél hosszabb plazma­kisüléseket a magyar video­diagnosztikai rendszer és nyalábemissziós spektrosz­kópia is rögzítette. A Wendelstein 7-X kísérletre kifejlesztett kamera­rendszer felkeltette az EU–Japán JT-60SA kísérletben dolgozók figyelmét is, ez lett az első európai mérő­rendszer ezen a JET-méretű szupra­vezető mágneses fúziós berendezésen.

„A fúziós energiatermelés a kutatók sok évtizedes álma, amelyet a magyar származású Teller Ede az elsők között javasolt. Már a kezdeteknél világos volt, hogy a feladat bonyolult, de a technológiai és elméleti fejlődés töretlen maradt. Az 1970-es évekre kiderült, hogy nagy és bonyolult berendezésekre lesz szükség, amelyeket csak széles nemzetközi együttműködésben lehet megalkotni” – erősí­tette meg magazinunknak korábbi véleményét Zoletnik Sándor, az EK Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának vezetője.•


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022
Címkék

Innotéka